新鮮事 > 奇妙世界 > 正文

新理論揭秘或是它製造了暗物質

新研究表明,在我們早期宇宙中膨脹的宇宙氣泡可能製造了目前大量的暗物質。這種難以捉摸的物質會拉拽恆星,但本身卻不會發光。

這項新研究發表於10月9日的《物理評論快報》。新研究或可確切地解釋,暗物質從早期宇宙熱湯中凝結出來的方式。自從1933年天文學家弗里茨·茲威基首次提出暗物質的存在以來,大量的觀測證據表明,黑暗中躲藏著一些東西,不僅肉眼看不見,甚至最先進的科學儀器也看不到。我們只能從暗物質施加於天文學家所能觀測到的恆星和星系上的引力牽引,來尋得暗物質的蛛絲馬跡。這種引力的量級可以讓科學家估算出宇宙中暗物質的百分比;當前估算顯示,暗物質占到了宇宙質量的80%。

研究的共同作者、休斯頓萊斯大學物理學助理教授安德魯·朗說:「儘管我們知道宇宙中包含多少暗物質,但數十年來,我們一直不太清楚暗物質的性質和來源。暗物質是基本粒子的集合嗎?如果是的話,這些粒子又具有怎樣的性質?比如它們的質量和自旋?這些粒子會施加什麼力,以及它們之間存在怎樣的相互作用?暗物質是什麼時候形成的,在它們的形成過程中,相互作用又起到了怎樣的重要作用?」

澳大利亞墨爾本大學的物理學家麥可·貝克、德國美因茨大學的物理學家約阿希姆·柯普,以及朗,希望回答這最後一個問題——暗物質是什麼時候以及如何形成的。朗說,他們研究了宇宙形成的最早時期,也就是大爆炸開始後不到一毫微秒的那一瞬間,即粒子形成與湮滅的「狂野西部」時間。在此期間,粒子剛一形成就互相碰撞、湮滅。彼時,宇宙是極高能量的基本粒子構成的熱湯,類似於今天的物理學家在大型粒子加速器中製造的夸克膠子電漿。這種原始湯異常炙熱稠密,而且無比混亂,更為有序的亞原子粒子如質子和中子根本無法形成。

但是這一宇宙的「狂野西部」時代並沒有持續太久。宇宙開始膨脹後,等離子體逐漸冷卻,新粒子的產生戛然而止。與此同時,粒子間彼此分開,碰撞速度驟然下降,直至粒子數量保持不變。科學家將留存下來的粒子成為「熱殘存粒子」。這些熱殘存粒子隨後變成了如今我們所知所愛的物質,如原子、恆星,甚至我們人類自己。「除了今天已知的所有基本粒子之外,我們有理由去想像,宇宙早期還存在一些其他的粒子,比如暗物質,」朗說。

科學家們相信,這些假設的粒子可能也以熱殘存粒子的形式存在於今日。在這項新的研究中,研究團隊假設,在大爆炸之後的瞬間,等離子體經歷了一次相變,該相變類似於物質從一種狀態轉變到另一種狀態時所發生的情況,例如沸騰的水壺中形成的水汽泡,或者蒸汽冷卻後形成水滴等。

在這種情況下,冷卻的等離子體氣泡在早期宇宙熱湯中突然形成。這些氣泡膨脹又合併,直至整個宇宙進入下一個新階段。

「當這些氣泡在整個宇宙中膨脹時,它們就像過濾器一樣,將暗物質從等離子體中篩選出來,」朗說,「通過這種方式,我們當今在宇宙中測量到的暗物質數量就是大爆炸後一瞬間,該過濾過程的直接結果。」

這些氣泡壁會成為屏障。只有大質量的暗物質粒子才具有足夠多的能量,可以穿越氣泡的屏障進入到膨脹的氣泡內部,從而躲過「狂野西部」。而其他較輕的粒子則在這期間湮滅。這可以過濾掉低質量的暗物質粒子,並解釋當今觀察到的大量暗物質。

暗物質最有希望的候選者之一是大質量弱相互作用粒子(WIMPs)。這些假設的粒子質量可以達到質子的10倍至100倍,但它們僅通過兩種基礎自然力量——引力和弱核力——與物質產生相互作用。它們像幽靈一般穿過宇宙,這也可以解釋天文學家們(如茲威基)在近一個世紀前首次注意到的暗物質緣何神秘消失。

為尋找WIMPs,物理學家們在地底下建造了巨大的先進探測器。但是,儘管這數十年來人們一直在尋找這些神秘的粒子,我們仍一無所獲。這使得近年來,科學家開始尋找比WIMPs更輕或更重的其他暗物質粒子候選者。

「我們的研究創意中一個比較令人期待的地方是,它適用於比其他大多數候選者(比如著名的WIMPs)都來得重的暗物質粒子。過去,大多數研究都集中在尋找WIMPs上,」研究的共同作者柯普說,「因此,我們的研究可以促使暗物質的搜尋範圍向更重的粒子領域拓展。」

這項研究還可以為其他未進項目提供尋找暗物質的機會,比如雷射干涉儀空間天線(LISA)。LISA是一系列跨越數百英里的太空探測器,旨在探索宇宙中的引力波漣漪。

如果朗和他的同事設想的宇宙氣泡確實存在於宇宙早期,它們可能會通過引力波留下可檢測到的痕跡。兩個氣泡壁碰撞產生的一部分能量,或許會形成日後實驗中可以檢測到的引力波。

該研究團隊還計劃擴大他們的研究範圍,以更多地了解暗物質與氣泡壁相互作用時會發生什麼,以及氣泡什麼時候發生碰撞。「我們知道暗物質就在那裡,但除此之外一無所知,」貝克說,「如果這是一種新粒子,那麼我們也許會有很大機會,可以在實驗室中檢測到它。然後,我們可以確定它的性質,比如質量和相互作用,並進一步了解宇宙。」

責任編輯: 李華   來源:新浪 轉載請註明作者、出處並保持完整。

本文網址:https://tw.aboluowang.com/2020/1111/1522231.html

奇妙世界熱門

相關新聞

➕ 更多同類相關新聞